不定积分第一类换元法.docx
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不定积分第一类换元法
不定积分第一类换元法(凑微分法)
一、方法简介
设具有原函数F("),即F'(u)=/(«),jf(u)du=F(u)+Ct如果〃是中间变量,=(PM,且设0(劝可微,那么根据复合函数微分法,有
dF[cp{x)]=f[(p{x)](p\x}dx
从而根据不定积分的定义得
Jfl(p(x)]
则有定理:
设/(")具有原函数,“=卩(.工)可导,则有换元公式
Jfi(p{x)](p\x}dx=IJf(u)chi]ii=(x)
由此定理可见,虽然Jf[(p(x}\(p\x}dx是一个整体的记号,但如用导数记号牛中的dxUdy可看作微分,被积表达式中的力也可当做变量x的微分来对待,从而微分等式0(劝厶可以方便地应用到被积表达式中。
几大类常见的凑微分形式:
①Jf(ax+b)dx=—jf(ax+b)d(ax+Z?
)(aH0);
(2)j/(sinx)cosx^v=J/(sinx)6/sinx,J/(cosx)siiixtZv=-jf(cosx)(/cosx,f/(tanx)—=I*/(tanx)6/tanx,「f(cotx)—=-f/(cotxX/cotx;
Jcos^xJJsin~牙J、
3j/(Inx)-dx=j/(Inx)dInx,jf(ex)exdx=Jf(ex)dex;
X
4jVxx*■加=丄“X)必"(心o),”(丄)学-]7(丄)〃(丄),
71AXAA
=2j/(Vx)J(Vx);
J/(arctanx)=J/(arctanx)darctanx;
⑥复杂因式
【不定积分的第一类换元法]
巳知“(")〃"=F(")+C
求JgMdx=jf(
=\fWdu=F(“)+C【做变换,令"=(p(x),再积分】
=F(0(x))+C【变長还原,”=0(x)】
【求不定积分J*g(x)dx的第一换元法的具体步骤如下:
】
(0变换被积函数的积分形式:
]*&(切厶=]7(0(兀))0(切力
(2)凑微分:
Jg(x)dx=Jf(
(3)作变長代换u=(p(x):
Jg(x)dx=Jf((p(x))
(4)利用墓本积分公式J=F(“)+C求出原函数:
Jg(x)〃x=f/(0(X))0'(X)〃X=J傾>)=Jf(ii)du=F(“)+C
⑸将u=(p{x)代入上面的结果,回到原来的积分变星X得:
Jg(x)dx=Jf((p{xy)(p\x)dx=J/(如))〃0(x)=J=F(tt)+C=F((p(x))+C
【注】熟悉上述步骤后,也可以不引入中间变長"=卩(对,省略⑶(4)步骤,这与复合函数的求导法则类似。
二.典型例题
(心0);
①j*f(ax+b)dx=—Jf(ax+b)d(ax+b)
1.解:
令u=2x-\,du=2dx,
2.解:
令f=x2,
『_1『皿_1f(f+1-1)山
J1+JV‘2Jl+/2y/\+t
—J\/t+\d(t+1)—㊁J—;d(/+1)
=丄・-(r+1)1--・2皿7+0=丄(宀1£-Jl+F+C2323
3.解:
7一-:
JJW2),
Jl+F+Jd+b&1+小+(1+,)亍
令l+十=t
2jrj2山.耐J耐
\t+t^
=2Jl+、/7+C=2、/1+Jl++C
一打〃(1-小+打上二4J肛72」
=--x2x\/l-x4+—arcsinx2+C
42
=—(arcsinx2_)+C
2
(2)j/(siiiA)cosAzZr=j/(sinx)6/sinx,j/(cosx)sinxdx=-j/(cosx)Jcosx,
仝—=-ff(cotx\lcotx;sirrx」
f/(tanx)d\=f/(tanx)6/tanx,[/(cotx)-
Jcos^xJJ0
例1.Jtanxclx[2]
”r1+sinx+cosx,rn
例3J一———11
J1+sinr
例⑴
Jsinxcos^x
例2.口
Jsirrx
dx
⑴
sinxcos4x
”.rsinxcosxtfn
例钉卅
Jsinx+cosx
tanx
例4.
例7•设为常数,且心0,计算/彳一卢千一/"】Jcrsin*x+Zrcos*x
1•解:
设”=cos兀,du=—sinxdx,-du=sinAzZr
ftanxclx=fS'nX-dx=-f—=-ln(w)+C=-ln(cosx)+C」」cosxJu
2.解:
j*——dx=Jxj(cotx)=—ACOtX4-JCOtXtZv
=—xcotx+lnsinx+C
3解:
r+siz+cos%=「.卫_+厂/(cw)+
J1+sin~x」2-cosrJ2-cos"x
rcl(sinx)
Jl+2sin‘x
dx
dx
V2+COSX
=f聖r_—\=hi「二’八宀、+arctan(sinx)
」cos'x(2sec~x-l)2(2J2-cosx
In
+cosx,・、rdtanx
—=+arctan(suu)+
a/2—cosxj1+2tan~x
2?
2ln
、伍+COSXa/2-cosx
+arctan(siiu)+
arctan(V2tanx)+C
4•解:
J—訂
JSU1XCOSXJ
sin2x+cos2x
sinxcos4x
dx
sinx
cos4x
dx+
sin2x+cos2x
sinxcos2x
dx
=-f
dcosx
cos4x
cdeosx
」cos2x
dx
sinx
++Incscx-cotx+C
3cosxcosx
5•解:
fdxrdxrsin-x+cos'xr
=:
—=;——dtanx
Jsinxcos"xJtanxcosxJtanxcos"x
1+tan"x.1-||小
dtanx=—tan*x+ni|tan.xj+C
tanx
6•解:
令u=2x,再令"=cos”,
rsinxcosx,1r
4\~^x=_
Jsinx+cosx2J
sin2x,1「
;dx=-
〉1。
4J
cos~2x+—sin。
2x
2
1f(ICOSH_1r
__束—2丄1—1厂_"2J1+v2
22
=-—arctanv+C=-—arctan(cos2x)+C
22
sinu,
1•,〃"COS"U+—Sill"u2
dv
tanx
tanxdtanx
上rianxruinxuuinx
7,解:
訂cosU/tan?
"戸)0taMx+F
=—ln(^tan^+/r)+C
\f(ex)exdx=\f(ex)dex
例町册才
例2.Je5Wr[2]
dx
例打上一厶⑴
(1+丹
例l.\~C=dxw
JJk-2
例6.J
2”・3"
9V-4r
曲】
例8.
rIntanx,
dxJcosxsinx
1•解:
rdx
」x(l+21nx)
pd\nx
J1+2Inx
罟弓心叶c
3•解:
令“=3+4eA,chi=4exdx,
]]i
Je"曰汕蔦咖+c
=」ln(3+4k)+C
4
4•解:
令u=Inx,du=-dxx
=arcsin(lnx)+C
^^十丄+C
X
\+e2
6•解:
Jy_4V
=jJl
(宀
]
2(ln3-ln2)
In
In—
2
(2)v一i
2
3
(尹+1
2(ln3-ln2)ln|3x+2v
曲":
7=2j\d(J宀2)
yjCx—2
=2xjex-2-2j>lex-2dx
令丁-2=r2,ex=2+f\x=ln(2+r2),dx=——-dt
2+r
原式=2x^ex-2-f=2xylex-2-4f匚2二〃
J2+广J2+r
=2x^—2-4f(l-—^)dt
J2+r
(Intanx)2
2_
=2x\lex-2-4/+8・-^=arctan-L-+C
V2V2
8•解:
]
\111tanAdx=flntanAcltanx=fhitanxJ(lntanx)cosxsinx」tanxJ
=2xJ
x-2_4Je"-2+4、於arctuny—1-C
+C
4丄”X)必"(心0),f/(-)^=-f/(-W(-)
/IAA
jf(yfx)—^==2Jf(yfx)d(-Jx)
rarcsinvxfrn例一dxt,]
1•解:
d長
2Jx
j丘_
—^dx=2J严'dy[x
\lxv
对于右端第一个积分,凑微分得
[-rX--dx=-[(l-x2pJ(l-x2)=_71-X2+C
JVI-X2J
第二个积分中,用代换x=sin/
i^=d.x=『山cosM=fisj
J71-x2cost2
=--—sin2/+C=—arcsinx-—xVl-x2+C
2422
原式=larcsinx-丄(x+2)Jl-/+C
22
—!
—fJinx+a〃(lnx+a)+—!
—fy/\nx+bd(\nx+b)a—b)a-bJ
7•解:
]
=-2jl-xarcsin4x+2>fx+C
5打(arcsinx)<、=f/(arcsina)Jarcsinx
Vl-x2
ch
J/(arctanx)-_=|/(arctanx)r/arctanx;
arcco&t
例订孚h
例打竺竺.芝s
JQVl-x2
2•解:
3•解:
rarctanVxfr2arctanx,厂j/—fz厂、
—=dx=dy/x=2arctan-7xt/(arctanvx)
Jy[x(\+X)J1+XJ
=(arctanVx)2+C
fvl+arctanVx,rvl+^rctanVxf
=dx===——ax
JVx(l+x)JVx[l+(Vx)2]
=2J71+arctand(arctan\[x+1)
=—(1+arctan+C
3
4.解:
]
「xdx1「dx1pf/arcsinx2
Vl-x4(arcsinx2)32(arcsinA-2)371-x42J(arcsinx2)5
=-^-(arcsinx2)'2+C
5.解:
faics*nxJx=farcsinxJ(arcsinx)=—(arcsinx)2+C)yj\-X232
令x=sin/,
=5+C=-+C
..arcsinxJy=卜吓讼〃("「")=-arcsinx(S
JX1y/\-X2Jv%
—_—arcsinx+lnkvl+C
X
6复杂因式
1
1
=-^=arctan
72
A"7「1x2-l
—■=—fC=—arctan——fC
J2J2Q2x
1
arctan-〔〔〔〔
3•解:
\j^lx=_J(arctan—)J(arctan—)=-—(arctan—)2+C
1+x2
ln(x+\+.x)〃兀=J\能(尤+yl\+x2)〃(ln(x+y/x2+1))
=-[ln(x+Vl+x2)]2+C
3
=-excotx+fC
sinx
1.在下列各式等号右端的空白处埴入适当的系数,使等式成立:
(1)drdk%HO);
⑶・vdxd(5X2);
(2)d.vd(7r3);
(4)xdxd(lA2);
(5)
d(3疋2);
⑹e2vd.v
d(e2v);
dx
(8)—
x
(9)
dr
7T7
d(larcsinx);
xdx
(1(,)7T7
dVl-X2;
dx
(11)耐
d(arct;in3.v);
(13)(3A-2)d.v
d(2xX3);
dv
(12)市•
2x
(14)cos(—1)d.v
3
d(arctaily/2a);
dsin(—1).
3
求j*2cos2.vd.v.
4求卜Jl-Fd.v.
6求f/J.dx«>0).
Jy/a2-x2
8求Jsinlvdx.
例9求f—1-dA<;2为常教,:
C0)・
Ja-x
例11求Jcos3xc(>s2.vd.v.
例13求J
tan5xsec?
xdx
2•求下列不定积分:
l-2x
⑵J(3-2x)3dA;
b
dx
fdv
」xlnxlnlnx"
(8)jxe-1dv;
(9)
dx
sinxcosx
(10)JtanVl+x2
xdx
Jl+F
(14)
rsinx
Jcos3X
1、解被积函数中,cos2x是cosu与"2*的篦台函数,常数因于2恰好是中间变長
U2x的导数,因此作变長代换u2卫便有
J2cos2xdxjcos2x・2dx
cos2x・(2x)'dx=Jcosudu=sinu+C.
再以u2x代入,即得J2c()s2.vd.vsin2.v+-C
2、解
磊可看成士与“2+的复台函数,被积函教中虽没有2这个因于,但
我们可以凑出这个因于:
]£]
2x+522x+5
7^•(2.V+-5)*,
2x+5
从而令u
2卄5,便有
rl衣J厂
7lnI
般地,对于积分]7(如总可以作变星代换”卅b,把它化为
J/(«A+^)d¥=J—
3、解ftan.vd.vfdx=-
JJcosx
j
11
-―-(2卄5)氐=-2x+52J2x+5
\u\+C=-ln|2x+5|+C
2
COSX
d(2x+5)=丄[-du
2Ju
寸6)=f[j/.
(cosx)'dx=一f—!
—d(cos劝令“=COSXJcos牙■=
ln|z/|+Cln|cosx|+C.
类似地可得Jcot
•vdxInsinx
+C
4>解\x
—Jy/\—X2(1—X")'d.v=
IJ(1-x2)2d(lx2)
]313
"-3/?
+C3
在对变呈代换比较熟练以后,就不一圭写出中间变長
5、解
-[—1一d(-)"+(.2G
a
只需做到“心中有er即可.
Xx1X
)—arctail—+C・
aaa
6、解
xarcsin—+C.
7、解
Jsin3.vdx=J(1-cos2x)sinEx
J(1—cos"a)d(cosx)
Jd(COSA)+JCOS~xd(CQSA)
13
cos.r*-—cosx+C.
3
gr・*>rl-cos2x1ff1e1
8解Jsin"e*jdy—jdx—Jcos2xd(2©—x
222
sin2x+Q・
类似地可得
r211.j
COS.vd.v=—yH—sin2y+C・
J24
ln|secx+kmx|+C
类似地可得
jescxd.vIn|cscx-cotx|+C.
11、解利用三角函数的积化和差公式有
—sin.\H-—sin5x+Q・
210
13、解Jtan、xse
xd*jtan4xsec2xscca^uiaxI.vj(sec2x-1)2sec2xd(secx)
|(sec6x-2sec4x+sec2x)dsecx
172513
—secx——secx+-secx+C・753
4-解:
J斜訂存叮右旅
(5)j/(liix)—dx=J/(Inx}dInx,